关于两线制氨气流量计的设计与改进方案介绍
点击次数：2120 发布时间：2021-01-08 07:14:51
新型两线制氨气流量计（又称涡街流量变送器）产品是根据卡曼涡街原理，采用磁敏式、压电式检测传感器检测漩涡发生体产生的频率信号，作为信号处理器的输入，经过信号的检测、滤波、放大、限幅、频电转换等处理，输出标准4～20mA信号。产品具有系列化、标准化、通用化，流量测量压损小、量程比宽、结构简单、应用范围广、工作稳定可靠、便于安装调试等特点，能够适用于石油、化工、冶金、电力、医药、食品等行业的工业管道中气体、蒸汽、液体多种介质的流量精确测量，适用范围广。本文针对于两线制氨气流量计的测量原理、设计实现与改进完善方法。氨气流量计由漩涡发生体、检测传感器和信号处理器组成，集成了频率信号产生、信号滤波和处理，产品经过不断地改进完善，通过出厂试验及实际应用证明氨气流量计各项性能指标达到了设计要求，已得到广泛应用，取得了良好的经济效益。
1、氨气流量计的测量原理
氨气流量计的检测传感器是根据卡曼涡街原理设计的，氨气流量计仪表表体直径与仪表的公称口径基本相同，一般通过卡装或法兰连接。表体内安装了一个近似为等腰三角形的柱体（以下简称三角柱）。三角柱垂直安装在表体中，底面迎向流体。当管道中被测介质流过三角柱时，在三角柱两侧交替产生旋涡，旋涡不断产生和分离，在三角柱下游便形成了交错排列的两列旋涡即“涡街”，安装在流体管道中的三角柱即漩涡发生体，产生的这种旋涡称为卡曼涡街，如图1所示。
设三角柱迎流面宽度为d，表体内径为D，被测介质在管道中的平均流速为V，旋涡的发生频率为f，根据卡曼涡街原理，卡曼涡街的频率有如下关系：
式中：f—分离频率；Sr—斯特劳哈尔数（Strouhal number）；V—管道中的平均流速；d—三角柱的迎流面宽度。
公式（1）中的斯特劳哈尔数为无量纲参数，它与旋涡发生体形状及雷诺数（Re）有关，如图2所示。
在Re=2×104～7×106范围内，Sr可视为常数，雷诺数在这段范围内是涡街流量氨气流量计线性测量范围。由公式（1）可见，旋涡的分离频率与流体流速成正比，通过检测旋涡的分离频率，可以测出流体速度，进而测量出流体的瞬时体积流量。
旋涡交错分离，在三角柱两侧及后面的尾流中产生脉动的压力，设在三角柱内部（或后面）的检测传感器受到这种微小的脉动压力的作用，使安装在传感器内的压电陶瓷元件受到交变应力而产生交变电荷信号。该信号经放大器上的电荷放大、滤波限幅和触发整形处理后，输出频率与旋涡分离频率相同的方波电压脉冲信号。传感器输出的每一个脉冲将代表一定体积的被测流体。一段时间内的输出总脉冲数，将代表这段时间内流过传感器的流体总体积。
式中：K—仪表系数（单位体积的脉冲数）；n—脉冲数；Qv—流体体积（m3）。
氨气流量计传感器输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响，即仪表系数K在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。
2、氨气流量计的设计
氨气流量计设计包括两个部分：表体部分和信号处理器。
表体部分根据测量管径可以设计为圆环式或插入式。表体与测量管道的连接方式分为法兰卡装式、法兰连接式和插入式。频率检测传感器根据测量介质和测量环境不同可以选择磁敏式、压电式。
磁敏式传感器应用电磁感应原理测量，是传感器产品的一个重要组成部分，磁敏传感器应用的*大优点是可以实现无接触测量；检测频率过高时，磁敏式传感器运动部件容易损坏，因此磁敏式传感器适用于检测管道内流速较低，产生的漩涡频率较低的场合。
压电式传感器利用正压电效应进行检测。某些电介质（如石英晶体、压电陶瓷），当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生*化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷*性也随着改变。输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。两线制涡街流量氨气流量计采用的压电传感器主要检测元件是压电陶瓷。
压电式传感器具有体积小、质量轻、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高，适用于流速高、频率较高的测量场合。
为保证流体经过三角柱时的流速比较平稳，能后产生稳定的漩涡频率，氨气流量计表体安装应与液体流动方向垂直，三角柱的上游和下游应保证一定长度的直管段，其长度应符合前直管段15～20D，后直管段5～10D的要求。安装液体传感器的附近管道内应充满被测液体，如果达不到满管要求，应进行变径处理。根据传感器的测量原理，传感器应避免安装在有强烈机械振动的管道上。传感器应避免安装在有较强电磁场干扰、空间小和维修不方便的场合。
信号处理器对涡街流量传感器产生的频率信号经过滤波、放大、频电转换等几个环节处理，*终将频率信号转换为标准4～20mA信号输出。信号处理器框图如图3所示。
3、氨气流量计设计的改进完善
氨气流量计研发成功投入市场以来，现场运行过程中，发现氨气流量计的信号处理器在设计方面存在一些不完善之处，在现场电磁干扰较强场合会影响仪表的测量精度，因此需要对信号处理器电路及结构进行改进。
3.1 电源浮地问题的改进
由于氨气流量计的供电电源要求浮地，因此爆炸环境条件下使用的氨气流量计配有隔离式安全栅。在非爆炸性环境条件下，由于现场标准24V供电电源负端直接接地，用户没有按照要求对电源进行浮地处理，造成氨气流量计不能正常工作，甚至损坏电路板中元器件。因为现场设备大部分为防止电磁干扰，需要电源直接接地，本氨气流量计电源单独需要浮地，用户需单独为本氨气流量计提供电源，给用户增加成本，因此需对氨气流量计的信号处理器进行改造，解决电源需要浮地的问题。
通过实验改变频电转换板中集成块的工作电压，使集成块的电源地与氨气流量计的24V DC直流电源直接相连；给信号放大器的输入信号端增加电位平移电路，同时改进电压电流转换电路。经过上述改进电路试验，氨气流量计电源可以直接接地，解决了氨气流量计供电电源需要浮地的问题，方便了用户的使用。 在爆炸性环境条件下使用时，安全栅可以选用普通型，不用再选择隔离式安全栅了。
3.2 流量波动较大问题的改进办法
由于氨气流量计采用两线制电路，输出标准4～20mA信号，信号处理器的自身功耗不能过大。因此对涡街流量传感器信号的放大、滤波等处理电路不能太复杂，需要靠调整部分元器件的参数值来满足不同介质和不同测量范围。出厂标定时，因为标定现场电磁干扰、振动干扰等影响因素较弱，标定好的参数在用户现场因为环境不同、干扰信号强弱不同，现场测量出现不稳定情况，特别是在流量较低时，流量波动较大，必须派维修人员到现场进行参数调整，因此在电路板设计时将几组参数的元器件同时焊接在电路板上，调试维修时通过拨动开关加以组合选择，用户就可以现场调试，方便用户的使用，提高了测量的精度。
3.3 氨气流量计结构的改进
3.3.1 接线端子的改进
氨气流量计为方便用户现场观察流量变化，设计带有现场指示的4～20mA流量表头。接线时需要将指示表头拆下来，接线后需要重新安装表头，给现场施工人员带来不便。针对这个问题，改进了氨气流量计的信号处理器壳体结构，将接线端子调整到线路板一侧，表头一侧不再进行接线，方便了仪表的安装。
3.3.2 指示表头线路的改进
现场指示表头串联在4～20mA电流输出电路中，一旦表头出现损坏断路，造成氨气流量计无法正常工作。现场指示表头的指针灵敏度高，在运输和使用过程中*易出现指针卡住、指示不准或损坏现象，除了选择质量可靠的指示表头厂家外，同时在电路中加以改进。在表头后正向并一个开关二*管，表头出现损坏后，氨气流量计仍然能正常工作。
在表头后正向并联开关二*管即能解决表头损坏后氨气流量计仍能正常供电工作问题，也不会对测量结果造成影响。因为电流表表头的内阻约为6Ω左右，正常工作时通过表头的电流在4～20mA之间，根据欧姆定律，正常工作时表头两端的电压在0.024～0.12V之间，远低于二*管的导通电压0.7V，同时也远低于二*管的死区电压0.5V，因此正常工作时，正向并联的二*管正向等效电阻很大，正向电流几乎为零，不会影响测量结果。出现指示表头损坏断路时，正向并联的开关二*管导通，氨气流量计仍能正常工作，输出4～20mA电流信号。
4、氨气流量计的特点
涡街流量传感器检测具有不受流体组分、密度、温度、压力的影响，无可动部件、产品无磨损、耐脏污，无需机械维修，可靠性高、使用寿命长；测量范围宽，一般量程度可达10：1以上；整体结构设计合理，压力损失约为孔板流量计的1/4～1/2，压力损失较小；在一定雷诺数范围内，输出频率信号不受流体的密度、粘度和组分的影响，即仪表系数仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸有关，只需在一种典型介质中校验而适用于各种介质；与节流式差压流量计相比较，无需导压管和三阀组等，不易出现泄漏、堵塞和冻结等现象，不易结垢，耐高温、高压；结构简单牢固，安装方便，维护费较低；应用范围广泛，可适用液体、气体和蒸气等不同介质的测量。
氨气流量计有多种信号和规格，有磁敏式、压电式检测方式，能够适用于流量计量的大部分场合要求，广泛应用于石油、化工、冶金、城市集中供暖以及纺织和食品等行业。本氨气流量计采用本质安全型结构，与安全栅一起组成本质安全系统。
由于氨气流量计不适用于低雷诺数流量测量，在管道内介质粘度高、流速低、管径小等情况下测量精度无法保证，应用受到限制；并且氨气流量计对测量管道的机械振动较敏感，不宜安装于有强振动的场所。选择传感器安装场所时尽量避开振动源，采取加装管道支撑物等措施，减小测量管道的振动幅度，降低振动对测量信号的干扰，提高测量的精确度。
5、结论
研制的两线制氨气流量计，根据测量介质及工况环境选择适宜的测量传感器，以达到较高的工作可靠性和测量精确度。通过实际应用及线路及结构的不断改进，两线制涡街流量氨气流量计性能得到了完善和提高，使用方便、可靠，得到了广泛的应用，已累计生产四百多台，为企业创造产值三百多万元，取得了良好的经济效益。
1、氨气流量计的测量原理
氨气流量计的检测传感器是根据卡曼涡街原理设计的，氨气流量计仪表表体直径与仪表的公称口径基本相同，一般通过卡装或法兰连接。表体内安装了一个近似为等腰三角形的柱体（以下简称三角柱）。三角柱垂直安装在表体中，底面迎向流体。当管道中被测介质流过三角柱时，在三角柱两侧交替产生旋涡，旋涡不断产生和分离，在三角柱下游便形成了交错排列的两列旋涡即“涡街”，安装在流体管道中的三角柱即漩涡发生体，产生的这种旋涡称为卡曼涡街，如图1所示。
设三角柱迎流面宽度为d，表体内径为D，被测介质在管道中的平均流速为V，旋涡的发生频率为f，根据卡曼涡街原理，卡曼涡街的频率有如下关系：
式中：f—分离频率；Sr—斯特劳哈尔数（Strouhal number）；V—管道中的平均流速；d—三角柱的迎流面宽度。
公式（1）中的斯特劳哈尔数为无量纲参数，它与旋涡发生体形状及雷诺数（Re）有关，如图2所示。
在Re=2×104～7×106范围内，Sr可视为常数，雷诺数在这段范围内是涡街流量氨气流量计线性测量范围。由公式（1）可见，旋涡的分离频率与流体流速成正比，通过检测旋涡的分离频率，可以测出流体速度，进而测量出流体的瞬时体积流量。
旋涡交错分离，在三角柱两侧及后面的尾流中产生脉动的压力，设在三角柱内部（或后面）的检测传感器受到这种微小的脉动压力的作用，使安装在传感器内的压电陶瓷元件受到交变应力而产生交变电荷信号。该信号经放大器上的电荷放大、滤波限幅和触发整形处理后，输出频率与旋涡分离频率相同的方波电压脉冲信号。传感器输出的每一个脉冲将代表一定体积的被测流体。一段时间内的输出总脉冲数，将代表这段时间内流过传感器的流体总体积。
式中：K—仪表系数（单位体积的脉冲数）；n—脉冲数；Qv—流体体积（m3）。
氨气流量计传感器输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响，即仪表系数K在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。
2、氨气流量计的设计
氨气流量计设计包括两个部分：表体部分和信号处理器。
表体部分根据测量管径可以设计为圆环式或插入式。表体与测量管道的连接方式分为法兰卡装式、法兰连接式和插入式。频率检测传感器根据测量介质和测量环境不同可以选择磁敏式、压电式。
磁敏式传感器应用电磁感应原理测量，是传感器产品的一个重要组成部分，磁敏传感器应用的*大优点是可以实现无接触测量；检测频率过高时，磁敏式传感器运动部件容易损坏，因此磁敏式传感器适用于检测管道内流速较低，产生的漩涡频率较低的场合。
压电式传感器利用正压电效应进行检测。某些电介质（如石英晶体、压电陶瓷），当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生*化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷*性也随着改变。输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。两线制涡街流量氨气流量计采用的压电传感器主要检测元件是压电陶瓷。
压电式传感器具有体积小、质量轻、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高，适用于流速高、频率较高的测量场合。
为保证流体经过三角柱时的流速比较平稳，能后产生稳定的漩涡频率，氨气流量计表体安装应与液体流动方向垂直，三角柱的上游和下游应保证一定长度的直管段，其长度应符合前直管段15～20D，后直管段5～10D的要求。安装液体传感器的附近管道内应充满被测液体，如果达不到满管要求，应进行变径处理。根据传感器的测量原理，传感器应避免安装在有强烈机械振动的管道上。传感器应避免安装在有较强电磁场干扰、空间小和维修不方便的场合。
信号处理器对涡街流量传感器产生的频率信号经过滤波、放大、频电转换等几个环节处理，*终将频率信号转换为标准4～20mA信号输出。信号处理器框图如图3所示。
3、氨气流量计设计的改进完善
氨气流量计研发成功投入市场以来，现场运行过程中，发现氨气流量计的信号处理器在设计方面存在一些不完善之处，在现场电磁干扰较强场合会影响仪表的测量精度，因此需要对信号处理器电路及结构进行改进。
3.1 电源浮地问题的改进
由于氨气流量计的供电电源要求浮地，因此爆炸环境条件下使用的氨气流量计配有隔离式安全栅。在非爆炸性环境条件下，由于现场标准24V供电电源负端直接接地，用户没有按照要求对电源进行浮地处理，造成氨气流量计不能正常工作，甚至损坏电路板中元器件。因为现场设备大部分为防止电磁干扰，需要电源直接接地，本氨气流量计电源单独需要浮地，用户需单独为本氨气流量计提供电源，给用户增加成本，因此需对氨气流量计的信号处理器进行改造，解决电源需要浮地的问题。
通过实验改变频电转换板中集成块的工作电压，使集成块的电源地与氨气流量计的24V DC直流电源直接相连；给信号放大器的输入信号端增加电位平移电路，同时改进电压电流转换电路。经过上述改进电路试验，氨气流量计电源可以直接接地，解决了氨气流量计供电电源需要浮地的问题，方便了用户的使用。 在爆炸性环境条件下使用时，安全栅可以选用普通型，不用再选择隔离式安全栅了。
3.2 流量波动较大问题的改进办法
由于氨气流量计采用两线制电路，输出标准4～20mA信号，信号处理器的自身功耗不能过大。因此对涡街流量传感器信号的放大、滤波等处理电路不能太复杂，需要靠调整部分元器件的参数值来满足不同介质和不同测量范围。出厂标定时，因为标定现场电磁干扰、振动干扰等影响因素较弱，标定好的参数在用户现场因为环境不同、干扰信号强弱不同，现场测量出现不稳定情况，特别是在流量较低时，流量波动较大，必须派维修人员到现场进行参数调整，因此在电路板设计时将几组参数的元器件同时焊接在电路板上，调试维修时通过拨动开关加以组合选择，用户就可以现场调试，方便用户的使用，提高了测量的精度。
3.3 氨气流量计结构的改进
3.3.1 接线端子的改进
氨气流量计为方便用户现场观察流量变化，设计带有现场指示的4～20mA流量表头。接线时需要将指示表头拆下来，接线后需要重新安装表头，给现场施工人员带来不便。针对这个问题，改进了氨气流量计的信号处理器壳体结构，将接线端子调整到线路板一侧，表头一侧不再进行接线，方便了仪表的安装。
3.3.2 指示表头线路的改进
现场指示表头串联在4～20mA电流输出电路中，一旦表头出现损坏断路，造成氨气流量计无法正常工作。现场指示表头的指针灵敏度高，在运输和使用过程中*易出现指针卡住、指示不准或损坏现象，除了选择质量可靠的指示表头厂家外，同时在电路中加以改进。在表头后正向并一个开关二*管，表头出现损坏后，氨气流量计仍然能正常工作。
在表头后正向并联开关二*管即能解决表头损坏后氨气流量计仍能正常供电工作问题，也不会对测量结果造成影响。因为电流表表头的内阻约为6Ω左右，正常工作时通过表头的电流在4～20mA之间，根据欧姆定律，正常工作时表头两端的电压在0.024～0.12V之间，远低于二*管的导通电压0.7V，同时也远低于二*管的死区电压0.5V，因此正常工作时，正向并联的二*管正向等效电阻很大，正向电流几乎为零，不会影响测量结果。出现指示表头损坏断路时，正向并联的开关二*管导通，氨气流量计仍能正常工作，输出4～20mA电流信号。
4、氨气流量计的特点
涡街流量传感器检测具有不受流体组分、密度、温度、压力的影响，无可动部件、产品无磨损、耐脏污，无需机械维修，可靠性高、使用寿命长；测量范围宽，一般量程度可达10：1以上；整体结构设计合理，压力损失约为孔板流量计的1/4～1/2，压力损失较小；在一定雷诺数范围内，输出频率信号不受流体的密度、粘度和组分的影响，即仪表系数仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸有关，只需在一种典型介质中校验而适用于各种介质；与节流式差压流量计相比较，无需导压管和三阀组等，不易出现泄漏、堵塞和冻结等现象，不易结垢，耐高温、高压；结构简单牢固，安装方便，维护费较低；应用范围广泛，可适用液体、气体和蒸气等不同介质的测量。
氨气流量计有多种信号和规格，有磁敏式、压电式检测方式，能够适用于流量计量的大部分场合要求，广泛应用于石油、化工、冶金、城市集中供暖以及纺织和食品等行业。本氨气流量计采用本质安全型结构，与安全栅一起组成本质安全系统。
由于氨气流量计不适用于低雷诺数流量测量，在管道内介质粘度高、流速低、管径小等情况下测量精度无法保证，应用受到限制；并且氨气流量计对测量管道的机械振动较敏感，不宜安装于有强振动的场所。选择传感器安装场所时尽量避开振动源，采取加装管道支撑物等措施，减小测量管道的振动幅度，降低振动对测量信号的干扰，提高测量的精确度。
5、结论
研制的两线制氨气流量计，根据测量介质及工况环境选择适宜的测量传感器，以达到较高的工作可靠性和测量精确度。通过实际应用及线路及结构的不断改进，两线制涡街流量氨气流量计性能得到了完善和提高，使用方便、可靠，得到了广泛的应用，已累计生产四百多台，为企业创造产值三百多万元，取得了良好的经济效益。